多种时变应力作用下输变电设备寿命评估方法.pdf

本发明公开了多种时变应力作用下输变电设备寿命评估方法，根据线性累积损伤理论，考虑由热应力、电应力、机械应力、随机应力等各种时变应力对输变电设备的累积作用，以小时段为计算单位，不同时段的应力值可以不同，将应力的时变性考虑在内。采用寿命损耗的概念将不同种类应力对输变电设备的影响统一度量，并在此基础上考虑多种应力的综合影响，因此计算得到的输变电设备的使用寿命结果更准确，更加符合实际情况，从而对工程应用更具有指导意义。

权利要求书
1.  多种时变应力作用下输变电设备寿命评估方法，其特征在于，按照以下三个步骤进行 计算：
S1：获取输变电设备运行时间段t内受到的持续应力，持续应力包括热应力、电应力和 机械应力，将时间段t划分为n个单位时间段tΔ，记为t1，t2…tn，其中的热应力以第一热点 温度θ1，θ2…，θn表示，电应力以第一场强E1，E2…En表示，机械应力以第一机械应力M1，M2…， Mn表示；
获取输变电设备运行时间段t内受到的随机应力，随机应力包括过负荷冲击应力、雷电 冲击应力和外部短路冲击应力，其中过负荷冲击应力以输变电设备第二热点温度θo1，θo2…，θox和相应的过负荷冲击次数no1，no2…，nox表示，雷电冲击应力以第二电压Ul1，Ul2…，Ulx和相 应的雷电冲击次数nl1，nl2…，nlx表示，外部短路冲击应力以第二电流Is1，Is2…，Isx和相应 的短路冲击次数ns1，ns2…，nsx表示；
S2：对热应力，根据阿伦纽斯模型，分别计算在第一热点温度θ1，θ2…，θn下的输变电设 备热使用寿命计算如式(1)所示：
L θ = a exp ( b θ + 273 ) - - - ( 1 ) ]]>
模型中Lθ为输变电设备热使用寿命，a、b为与输变电设备的电压等级，绝缘纸的类别因 素有关的常数，θ为热点温度，分别计算在第一热点温度θ1，θ2…，θn下的输变电设备热使用 寿命根据热使用寿命计算得到输变电设备在时段t内由于 热应力引起的热寿命损耗dθ为式(2)：
d θ = t Δ L θ 1 + t Δ L θ 2 + . . . + t Δ L θn - - - ( 2 ) ]]>
对电应力，根据反幂模型，分别计算在第一场强E1，E2…En下的输变电设备电使用寿命 LE1，LE2…，LEn为式(3)：
LE＝c(E/E0)-z   (3)
模型中LE为电使用寿命，E为场强，c、z为常数，E0为参考场强；根据电使用寿命LE1， LE2…，LEn，计算得到输变电设备在时段t内由于电应力引起的电寿命损耗dE为式(4)：
d E = t Δ L E 1 + t Δ L E 2 + . . . + t Δ L E n - - - ( 4 ) ]]>
对机械应力，根据反幂模型，分别计算在第一机械应力M1，M2…，Mn下的输变电设备机械 使用寿命LM1，LM2…，LMn为式(5)：
LM＝e(M/M0)-f   (5)
模型中LM为机械使用寿命，M为机械应力，e、f为常数，M0为参考机械应力；根据机械 使用寿命LM1，LM2…，LMn，计算得到输变电设备在时段t内由于机械应力引起的机械寿命损 耗dM为式(6)：
d M = t Δ L M 1 + t Δ L M 2 + . . . + t Δ L M n - - - ( 6 ) ]]>
对过负荷冲击应力，根据阿伦纽斯模型，计算输变电设备在第二热点温度θo1，θo2…，θox下可承受的总过负荷次数No1，No2…，Nox；根据可承受的总过负荷次数No1，No2…，Nox，计算得 到输变电设备在时段t内由于过负荷冲击应力引起的过负荷冲击寿命损耗为式(7)：
d θ o = n o 1 N o 1 + n o 2 N o 2 + . . . + n ox N ox - - - ( 7 ) ]]>
对雷电冲击应力，根据已有的输变电设备U-N曲线，得到输变电设备在第二电压Ul1，Ul2…， Ulx下可承受的总雷电冲击次数Nl1，Nl2…，Nlx，
根据可承受的总雷电冲击次数Nl1，Nl2…，Nlx，计算得到输变电设备在时段t内由于雷电 冲击应力引起的雷电冲击寿命损耗为式(8)：
d U l = n l 1 N l 1 + n l 2 N l 2 + . . . + n lx N lx - - - ( 8 ) ]]>
对外部短路冲击应力，根据已有的输变电设备I-N曲线，得到输变电设备在第二电流Is1， Is2…，Isx下可承受的总短路冲击次数Ns1，Ns2…，Nsx；根据可承受的总短路冲击次数Ns1，Ns2…， Nsx，计算得到输变电设备在时段t内由于外部短路冲击应力引起的短路冲击寿命损耗为式 (9)：
d Is = n s 1 N s 1 + n s 2 N s 2 + . . . + n sx N sx - - - ( 9 ) ]]>
在时段t内，由所有应力引起的输变电设备寿命损耗为式(10)：
d = d θ + d E + d M + D θ o + d U l + d I s - - - ( 10 ) ]]>
S3：计算T＝T+t时刻，输变电设备的累积寿命损耗D＝D+d，对D进行判断，若D大于1， 则表明输变电设备使用寿命到期，即输变电设备的估算寿命为L＝T；若D小于1，则表明输变 电设备使用寿命未到期，步骤S2重复进行计算，直到输变电设备使用寿命终止。

说明书多种时变应力作用下输变电设备寿命评估方法
技术领域
本发明属于电学领域，尤其涉及在多种时变应力作用下输变电设备寿命评估方法。
背景技术
电力系统可靠性是指电力系统按可接受的质量标准和所需数量不间断地向电力用户供应 电力和电能的能力的量度，它始终是电力系统中最重要的研究问题之一。随着现代电力系统 规模的加大，以及用户对电能质量要求的不断提高，特别是国内外的几次大停电事故的发生， 电力系统的安全可靠性引起了人们的高度重视。电力系统是一个由发电机、变压器、断路器、 输电设备、用电设备等电气设备组成的复杂系统，这些电气设备能否安全可靠运行将直接决 定着整个电力系统的安全性与可靠性，由此可见，电气设备的可靠性是电力系统可靠性的基 础，电气设备的可靠性评估是整个电力系统可靠性评估的重要组成部分。
根据我国有关电力系统的统计数据得知，2003年-2013年间，由电气设备自身故障引起 的电力系统事故在电力系统全部故障中所占的比例呈逐年增加的趋势，每年有60％以上的电 力系统事故是由电气设备故障引起的。以2010年云南省为例，云南电网公司发生的较大的电 力系统事故有30起，其中，由电气设备故障造成的事故占21起，约为事故总数的70％。从 其它国家的电力系统事故统计数据来看，情况也是这样，根据国内外电力系统大停电事故原 因的分析结果可知，电气设备自身故障不仅是影响电力系统可靠运行的主要原因，而且是电 力系统故障中所占比例最大的。
相比于人，电气设备也有其寿命，即电气设备的使用寿命。在使用寿命期间，电气设备 也会“生病”，即发生故障。在各种外力的作用下，电气设备会产生一定的损伤，随着损伤不 断累积，以及材料的不断老化，强度将会不断降低，最终使得电气设备发生部件的损坏，甚 至整体的损坏，导致电气设备无法实现正常的功能，那么，也就标志着此电气设备使用寿命 的终止。如果可以对当前电气设备的剩余寿命进行准确的预测，并运用合理的维护措施，便 可实现电气设备寿命的优化。为了有效延长电气设备的使用寿命，并为实现电气设备的安全 使用和经济效益之间的最佳平衡提供科学依据，就需要对电气设备，特别是变电站和电厂内 输变电设备进行剩余寿命评估，而如何科学地评估其剩余寿命是一个亟待解决的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供的多种时变应力作用下输变电设备寿命评估方法，按照 以下3个步骤进行计算：
S1：获取输变电设备运行时间段t内受到的持续应力，持续应力包括热应力、电应力和 机械应力，将时间段t划分为n个单位时间段tΔ，记为t1，t2…tn，其中的热应力以第一热点 温度θ1，θ2…，θn表示，电应力以第一场强E1，E2…En表示，机械应力以第一机械应力M1，M2…， Mn表示；
获取输变电设备运行时间段t内受到的随机应力，随机应力包括过负荷冲击应力、雷电 冲击应力和外部短路冲击应力，其中过负荷冲击应力以输变电设备第二热点温度θo1，θo2…，θox和相应的过负荷冲击次数no1，no2…，nox表示，雷电冲击应力以第二电压Ul1，Ul2…，Ulx和相 应的雷电冲击次数nl1，nl2…，nlx表示，外部短路冲击应力以第二电流Is1，Is2…，Isx和相应 的短路冲击次数ns1，ns2…，nsx表示；
S2：对热应力，根据阿伦纽斯模型，分别计算在第一热点温度θ1，θ2…，θn下的输变电设 备热使用寿命计算如式(1)所示：
L θ = aexp ( b θ + 273 ) - - - ( 1 ) ]]>
模型中Lθ为输变电设备热使用寿命，a、b为与输变电设备的电压等级，绝缘纸的类别等 因素有关的常数，a、b的优选取值为1.7×10-12(小时)，15000，θ为热点温度，分别计算在第 一热点温度θ1，θ2…，θn下的输变电设备热使用寿命根据热使用寿命计算得到输变电设备在时段t内由于热应力引起的热寿命损耗dθ为式(2)：
d θ = t Δ L θ 1 + t Δ L θ 2 + . . . + t Δ L θn - - - ( 2 ) ]]>
对电应力，根据反幂模型，分别计算在第一场强E1，E2…En下的输变电设备电使用寿命 LE1，LE2…，LEn为式(3)：
LE＝c(E/E0)-z  (3)
模型中LE为电使用寿命，E为场强，c、z为常数，优选取值为3.9×108(小时)，E0为参 考场强，优选取值为5.0(kV/mm)；根据电使用寿命LE1，LE2…，LEn，计算得到输变电设备在 时段t内由于电应力引起的电寿命损耗dE为式(4)：
d E = t Δ L E 1 + t Δ L E 2 + . . . + t Δ L E n - - - ( 4 ) ]]>
对机械应力，根据反幂模型，分别计算在第一机械应力M1，M2…，Mn下的输变电设备机械 使用寿命LM1，LM2…，LMn为式(5)：
LM＝e(M/M0)-f  (5)
模型中LM为机械使用寿命，M为机械应力，e、f为常数，优选取值为3.9×108(小时)、 2.3，M0为参考机械应力，优选取值为2.4×10-4(N/mm2)；根据机械使用寿命LM1，LM2…，LMn， 计算得到输变电设备在时段t内由于机械应力引起的机械寿命损耗dM为式(6)：
d M = t Δ L M 1 + t Δ L M 2 + . . . + t Δ L M n - - - ( 6 ) ]]>
对过负荷冲击应力，根据阿伦纽斯模型，计算输变电设备在第二热点温度θo1，θo2…，θox下可承受的总过负荷次数No1，No2…，Nox；根据可承受的总过负荷次数No1，No2…，Nox，计算得 到输变电设备在时段t内由于过负荷冲击应力引起的过负荷冲击寿命损耗为式(7)：
d θ o = n o 1 N o 1 + n o 2 N o 2 + . . . + n ox N ox - - - ( 7 ) ]]>
对雷电冲击应力，根据已有的输变电设备U-N曲线，得到输变电设备在第二电压Ul1，Ul2…， Ulx下可承受的总雷电冲击次数Nl1，Nl2…，Nlx；根据可承受的总雷电冲击次数Nl1，Nl2…，Nlx， 计算得到输变电设备在时段t内由于雷电冲击应力引起的雷电冲击寿命损耗为式(8)：
d U l = n l 1 N l 1 + n l 2 N l 2 + . . . + n lx N lx - - - ( 8 ) ]]>
对外部短路冲击应力，根据已有的输变电设备I-N曲线，得到输变电设备在第二电流Is1， Is2…，Isx下可承受的总短路冲击次数Ns1，Ns2…，Nsx；根据可承受的总短路冲击次数Ns1，Ns2…， Nsx，计算得到输变电设备在时段t内由于外部短路冲击应力引起的短路冲击寿命损耗为式 (9)：
d Is = n s 1 N s 1 + n s 2 N s 2 + . . . + n sx N sx - - - ( 9 ) ]]>
在时段t内，由所有应力引起的输变电设备寿命损耗为式(10)：
d = d θ + d E + d M + d θ o + d U l + d I s - - - ( 10 ) ]]>
S3：计算T＝T+t时刻，输变电设备的累积寿命损耗D＝D+d，对D进行判断，若D大于1， 则表明输变电设备使用寿命到期，即输变电设备的估算寿命为L＝T；若D小于1，则表明输变 电设备使用寿命未到期，步骤S2重复进行计算，直到输变电设备使用寿命终止。
本发明同现有技术相比，具有以下优点和有益效果：本发明提出多老化时变应力作用下 剩余寿命评估方法，根据线性累积损伤理论，考虑由热应力、电应力、机械应力、随机应力 等各种时变应力对输变电设备的累积作用，以小时段为计算单位，不同时段的应力值可以不 同，将应力的时变性考虑在内。采用寿命损耗的概念将不同种类应力对输变电设备的影响统 一度量，并在此基础上考虑多种应力的综合影响，因此计算得到的输变电设备的使用寿命结 果更准确，更加符合实际情况，从而对工程应用更具有指导意义。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。多种时变应力作用下输变电设备寿命 评估方法，按照以下3个步骤进行计算：
S1：获取输变电设备运行时间段t内受到的持续应力，持续应力包括热应力、电应力和 机械应力，将时间段t划分为n个单位时间段tΔ，记为t1，t2…tn，其中的热应力以第一热点 温度θ1，θ2…，θn表示，电应力以第一场强E1，E2…En表示，机械应力以第一机械应力M1，M2…， Mn表示；
获取输变电设备运行时间段t内受到的随机应力，随机应力包括过负荷冲击应力、雷电 冲击应力和外部短路冲击应力，其中过负荷冲击应力以输变电设备第二热点温度θo1，θo2…，θox和相应的过负荷冲击次数no1，no2…，nox表示，雷电冲击应力以第二电压Ul1，Ul2…，Ulx和相 应的雷电冲击次数nl1，nl2…，nlx表示，外部短路冲击应力以第二电流Is1，Is2…，Isx和相应 的短路冲击次数ns1，ns2…，nsx表示；
S2：对热应力，根据阿伦纽斯模型，分别计算在第一热点温度θ1，θ2…，θn下的输变电设 备热使用寿命计算如式(1)所示：
L θ = aexp ( b θ + 273 ) - - - ( 1 ) ]]>
模型中Lθ为输变电设备热使用寿命，a、b为与输变电设备的电压等级，绝缘纸的类别等 因素有关的常数，a、b的优选取值为1.7×10-12(小时)，15000，θ为热点温度，分别计算在第 一热点温度θ1，θ2…，θn下的输变电设备热使用寿命根据热使用寿命计算得到输变电设备在时段t内由于热应力引起的热寿命损耗dθ为式(2)：
d θ = t Δ L θ 1 + t Δ L θ 2 + . . . + t Δ L θn - - - ( 2 ) ]]>
对电应力，根据反幂模型，分别计算在第一场强E1，E2…En下的输变电设备电使用寿命 LE1，LE2…，LEn为式(3)：
LE＝c(E/E0)-z  (3)
模型中LE为电使用寿命，E为场强，c、z为常数，优选取值为3.9×108(小时)，E0为参 考场强，优选取值为5.0(kV/mm)；根据电使用寿命LE1，LE2…，LEn，计算得到输变电设备在 时段t内由于电应力引起的电寿命损耗dE为式(4)：
d E = t Δ L E 1 + t Δ L E 2 + . . . + t Δ L E n - - - ( 4 ) ]]>
对机械应力，根据反幂模型，分别计算在第一机械应力M1，M2…，Mn下的输变电设备机械 使用寿命LM1，LM2…，LMn为式(5)：
LM＝e(M/M0)-f  (5)
模型中LM为机械使用寿命，M为机械应力，e、f为常数，优选取值为3.9×108(小时)、 2.3，M0为参考机械应力，优选取值为2.4×10-4(N/mm2)；根据机械使用寿命LM1，LM2…，LMn， 计算得到输变电设备在时段t内由于机械应力引起的机械寿命损耗dM为式(6)：
d M = t Δ L M 1 + t Δ L M 2 + . . . + t Δ L M n - - - ( 6 ) ]]>
对过负荷冲击应力，根据阿伦纽斯模型，计算输变电设备在第二热点温度θo1，θo2…，θox下可承受的总过负荷次数No1，No2…，Nox；根据可承受的总过负荷次数No1，No2…，Nox，计算得 到输变电设备在时段t内由于过负荷冲击应力引起的过负荷冲击寿命损耗为式(7)：
d θ o = n o 1 N o 1 + n o 2 N o 2 + . . . + n ox N ox - - - ( 7 ) ]]>
对雷电冲击应力，根据已有的输变电设备U-N曲线，得到输变电设备在第二电压Ul1，Ul2…， Ulx下可承受的总雷电冲击次数Nl1，Nl2…，Nlx；根据可承受的总雷电冲击次数Nl1，Nl2…，Nlx， 计算得到输变电设备在时段t内由于雷电冲击应力引起的雷电冲击寿命损耗为式(8)：
d U l = n l 1 N l 1 + n l 2 N l 2 + . . . + n lx N lx - - - ( 8 ) ]]>
对外部短路冲击应力，根据已有的输变电设备I-N曲线，得到输变电设备在第二电流Is1， Is2…，Isx下可承受的总短路冲击次数Ns1，Ns2…，Nsx；根据可承受的总短路冲击次数Ns1，Ns2…， Nsx，计算得到输变电设备在时段t内由于外部短路冲击应力引起的短路冲击寿命损耗为式 (9)：
d Is = n s 1 N s 1 + n s 2 N s 2 + . . . + n sx N sx - - - ( 9 ) ]]>
在时段t内，由所有应力引起的输变电设备寿命损耗为式(10)：
d = d θ + d E + d M + d θ o + d U l + d I s - - - ( 10 ) ]]>
S3：计算T＝T+t时刻，输变电设备的累积寿命损耗D＝D+d，对D进行判断，若D大于1， 则表明输变电设备使用寿命到期，即输变电设备的估算寿命为L＝T；若D小于1，则表明输变 电设备使用寿命未到期，步骤S2重复进行计算，直到输变电设备使用寿命终止。